Chicago-onderzoekers ontdekken 'trage' elektronen die geheugenchip van morgen kunnen worden

Een team van de University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) heeft een onverwacht verschijnsel ontdekt in het materiaal Fe5GeTe2, een verbinding van ijzer, germanium en telluur. In dit van der Waals-materiaal bewegen elektronen niet los van elkaar, maar juist gezamenlijk en ongewoon traag, terwijl ze hun kwantumcoherentie behouden. De ontdekking, geleid door assistent-professor Shuolong Yang en gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, dwingt wetenschappers om hun begrip van het materiaal te herzien en biedt tegelijk een onverwacht aanknopingspunt voor nieuwe geheugentechnologie.

Een golf die niet wil stromen

Fe5GeTe2 behoort tot de familie van van der Waals-magneten: materialen die zijn opgebouwd uit atomair dunne lagen en zeven jaar geleden voor het eerst werden beschreven. Dankzij hun laagsgewijze kristalstructuur gelden ze als veelbelovend voor compacte geheugentoepassingen. Om het materiaal te onderzoeken gebruikten postdoctoraal onderzoekers Gabriele Berruto en Qiang Gao een techniek waarbij een ultraviolette laser, gefocust tot een puntje van 10 micrometer, elektronen van het oppervlak schiet. Zo kunnen wetenschappers precies zien hoe energie en beweging van de elektronen in het materiaal zijn verdeeld.

Wat ze zagen was een volledig platte energieband: een teken dat elektronen niet vrij door het materiaal bewegen, maar juist heel langzaam, en dat als groep. Yang vergelijkt het met een waterval: bij een steile helling stroomt water snel naar beneden, bij een vlakke helling nauwelijks. "We meten niet één elektron", aldus Yang. "We meten de interactie van duizenden of miljoenen elektronen die coherent samen bewegen. Dat is een kwantum-veeldeeltjesverschijnsel, en het is best vreemd."

Terug naar de tekentafel, op weg naar een geheugenchip

Volgens Berruto wijst de waarneming erop dat de magnetische interacties in het materiaal totaal anders zijn dan bestaande modellen voorspellen. Voor de onderzoekers betekent dat terug naar de tekentafel. Maar het verschijnsel heeft ook een praktische kant: omdat het materiaal tussen verschillende magnetische toestanden kan wisselen, zou informatie daarin kunnen worden opgeslagen, net als in een geheugenchip. Het team laat inmiddels met een fijn gerichte laser zien dat schakelen tussen deze bijzondere toestand en andere fasen mogelijk is, een eerste stap richting een werkend geheugenelement.

Een obstakel is de temperatuur. Het effect blijft momenteel alleen stabiel tot ongeveer 100 kelvin, oftewel 100 graden boven het absolute nulpunt, ruim onder kamertemperatuur maar wel hoger dan bij veel vergelijkbare kwantummaterialen. "Als we dit ooit in een geheugenchip willen gebruiken, moet het bij kamertemperatuur werken", zegt Gao, inmiddels onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory. Vervolgonderzoek moet uitwijzen of het effect standhoudt wanneer het materiaal wordt afgepeld tot een enkele atoomlaag.

De publicatie is opgedragen aan natuurkundige Peter Littlewood, een vooraanstaand kwantumfysicus aan UChicago die op 15 juni overleed. Het was een van zijn laatste onderzoeken. "Hij was een groot theoretisch natuurkundige en een leider in het onderzoek naar kwantummaterialen", aldus Yang.